История микроконтроллеров от их зарождения до современных тенденций

Наука и техникаHi-Tech

Карманные мозги, что управляют всем: микроконтроллеры от первых 4-бит до IoT-революции

Степан Бурмистров

Исторический обзор появления микроконтроллеров

Микроконтроллеры возникли из потребности создать маленький компьютер на одном чипе, способный управлять устройствами дешевле, чем связка отдельного процессора, памяти и периферии. Первый в мире микропроцессор Intel 4004 (1971) требовал множество внешних микросхем памяти и логики, что делало его применение в массовых приборах слишком дорогим.

Прорыв произошел в 1974 году, когда инженеры Gary Boone и Michael Cochran из Texas Instruments создали первый микроконтроллер TMS1000. Этот чип объединил в одном корпусе 4-битный процессор (CPU), встроенную память (ПЗУ) с программой, оперативную память (ОЗУ) для данных и тактовый генератор – полноценную встраиваемую систему на кристалле. Вскоре микроконтроллеры начали быстро распространяться: японские производители электроники в 1970-х внедряли микроконтроллеры в автомагнитолы, электронные замки, а также в системы управления двигателем автомобилей.

Как программировались первые микроконтроллеры

Программирование ранних микроконтроллеров было настоящим искусством. Изначально инженеры писали код в машинном языке, то есть вручную составляли последовательности двоичных кодов (0 и 1) для каждой инструкции, а затем записывали их в ПЗУ устройства.

Например, простейшая операция сложения могла выглядеть как набор битов 1000 0001. Подобные «магические числа» нужно было знать и рассчитывать самому. Это было весьма утомительно и чревато ошибками, поэтому вскоре появились инструментальные программы – ассемблер. Ассемблер позволял записывать программу в виде понятных мнемонических команд (например, ADD R1 вместо двоичного кода), а затем автоматически переводил их в машинный код для конкретного микроконтроллера. Такой подход заметно ускорил разработку и снизил вероятность ошибок.

Объемы памяти первых микроконтроллеров были очень малы (первые чипы имели всего несколько сотен байт, для сравнения: этот текст во много раз больше). Поэтому программистам приходилось писать крайне оптимизированный код, чтобы уложиться в доступные ресурсы.

Высокоуровневые языки в те годы только зарождались: компиляторы для Си или Фортрана существовали в основном для больших компьютеров, а не для крохотных микроконтроллеров. Таким образом, ассемблер стал главным языком первых поколений микроконтроллеров.

Для загрузки программы в микроконтроллер применялись различные методы. Как отмечалось, массовые тиражи чипов обычно программировались “навекиˮ на заводе (mask ROM). Однако разработчикам нужна была отладка, поэтому появились перепрограммируемые микроконтроллеры. Ранние образцы требовали особых приборов: микросхему помещали в программатор, стирали ультрафиолетовой лампой (в случае EPROM) и заново записывали код. Это был долгий цикл. К счастью, с появлением EEPROM и флеш-памяти процесс упростился: достаточно было подключить устройство к компьютеру через специальный программатор или интерфейс. Сегодня загрузка новой прошивки зачастую осуществляется по USB нажатием одной кнопки, что контрастирует с “ручным“ стилем программирования первых MCU.

(Пример: один из первых контроллеров – Intel 8048 – программировался разработчиком с помощью ассемблера Intel MCS-48. Инженер набирал код командами вроде MOV A,#0x5 (загрузить число 5) и компоновал их, следя за тем, чтобы итоговый машинный код поместился, к примеру, в 1 килобайт ПЗУ. Каждая ошибка означала перезапись чипа через EPROM-программатор и новую проверку.)

Появление Arduino и причины его популярности

К началу 2000-х программирование микроконтроллеров оставалось уделом энтузиастов и инженеров, требуя знаний электроники и низкоуровневого кода. Прорыв в популяризации микроконтроллеров произошел с появлением платформы Arduino. Проект Arduino стартовал в 2005 году в Итальянском Институте Дизайна (Interaction Design Institute Ivrea) под руководством Массимо. Целью было создать доступный и недорогой инструмент для художников, дизайнеров, студентов, который позволил бы им использовать микроконтроллеры в своих интерактивных проектах без глубоких знаний электроники и архитектуры микроконтроллеров.

Arduino состоит из аппаратной части (печатной платы с микроконтроллером AVR от Atmel, например ATmega328P на самой распространенной плате Arduino Uno) и простой среды разработки (Arduino IDE). Ключевой особенностью стало то, что плата продавалась уже с прошитым загрузчиком: для записи программы не требовался внешний программатор, достаточно обычного USB-кабеля. Язык программирования основан на упрощенном C/C++ (среди разработчиков известен как Wiring). Он интуитивно понятен, имеет множество готовых библиотек для работы с датчиками, моторчиками, дисплеями и т.д. Это снизило порог вхождения до минимума: даже новичок мог заставить мигать светодиод или опрашивать датчик с помощью нескольких строк кода.

Создание подобной машинки стало делом нескольких часов работы, что вовлекало все больше энтузиастов.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Новые пассажиры «Титаника» Новые пассажиры «Титаника»

Когда в 90-х годах упало финансирование науки, институты РАН выживали, как могли

Наука и техника
Жук-лягушка, не знающий вывихов Жук-лягушка, не знающий вывихов

Как работает механизм блокировки вывиха у жуков-лягушек Sagra femorata

Наука и жизнь
Квантовое превосходство Квантовое превосходство

«Квантовый компьютер – атомная бомба XX века»

ТехИнсайдер
Пифагор, или Теорема с одним неизвестным Пифагор, или Теорема с одним неизвестным

«Нет ни одной детали в жизни Пифагора, которая не была бы опровергнута»

Дилетант
ЧВК «Рюрик» ЧВК «Рюрик»

Около 838 года в поле зрения Византии попали люди, называвших себя русами

Дилетант
Главными последствиями засух последних лет назвали голод и кризис гидроэнергетики Главными последствиями засух последних лет назвали голод и кризис гидроэнергетики

Какие ужасные вещи назвали главными последствиями засух

N+1
Нелли Гаранян: «Он говорил: «Я не могу дирижировать голодными музыкантами» Нелли Гаранян: «Он говорил: «Я не могу дирижировать голодными музыкантами»

«Цветов у тебя не будет никогда, но колбасы и всего остального — сколько угодно»

Коллекция. Караван историй
Несчастные случаи, нарушение техники безопасности и халатность: 7 самых страшных промышленных катастроф в мире Несчастные случаи, нарушение техники безопасности и халатность: 7 самых страшных промышленных катастроф в мире

Когда на фабриках и заводах случались серьезные катастрофы

ТехИнсайдер
Если кто-то подавился Если кто-то подавился

Как помочь человеку, если он подавился?

Здоровье
Инфляция подгоняет ставку Инфляция подгоняет ставку

На что влияет замедление темпов инфляции

Ведомости
В палеолитическом пещерном святилище впервые нашли голубые краски В палеолитическом пещерном святилище впервые нашли голубые краски

Люди эпохи верхнего палеолита пользовались красками голубых оттенков

N+1
Культурная повестка: «Исток» Культурная повестка: «Исток»

Софья Эрнст — о своем отношении к русской культуре и традициям

Moodboard
Ученые превратили растительные отходы в топливо для самолетов Ученые превратили растительные отходы в топливо для самолетов

Технологию производства авиатоплива из биомассы создали в РГУ нефти и газа

ТехИнсайдер
Кадры заколебались Кадры заколебались

Ротация высших региональных чиновников вернулась к стандартному уровню

Ведомости
«Если какие сложности, основной груз на мне»: как женщины воспитывают приемных детей «Если какие сложности, основной груз на мне»: как женщины воспитывают приемных детей

Forbes Woman исследовал гендерные аспекты приемного родительства

Forbes
Абонент не в сети: почему цифровой детокс и отказ от технологий не всегда помогают Абонент не в сети: почему цифровой детокс и отказ от технологий не всегда помогают

Как разумно регулировать свое поведение в соцсетях и в обращении с технологиями

Forbes
Беспроигрышное вложение Беспроигрышное вложение

Что может сработать на национальную идею о многодетности?

Ведомости
Твоя принцесса в другом замке: самые безумные фанатские теории о Супер Марио Твоя принцесса в другом замке: самые безумные фанатские теории о Супер Марио

Весь мир — театр, а Марио — коммунист: самые нелепые теории о мире Супер Марио

Правила жизни
Откуда что пошло на флоте Откуда что пошло на флоте

Повседневная жизнь на парусном военном корабле XVIII века

Наука и техника
Почти вся пластиковая упаковка загрязнила пищу микропластиком Почти вся пластиковая упаковка загрязнила пищу микропластиком

Микро- и нанопоастик переходит из пластикосодержащей упаковки в еду и напитки

N+1
Крупным франшизам запрещают быть эксклюзивными Крупным франшизам запрещают быть эксклюзивными

Суд признал права франчайзи продавать не только товары франчайзера

Forbes
Дойти туда, куда не проедет джип; посмотреть то, что недоступно многим: как подготовиться к первому треккингу в горы Дойти туда, куда не проедет джип; посмотреть то, что недоступно многим: как подготовиться к первому треккингу в горы

О набитых шишках, с которыми может столкнуться каждый путешественник

ТехИнсайдер
Уйди, нечистая! Уйди, нечистая!

Домовые, кикиморы, лешии: откуда взялись и чему служили

Лиза
«Сирены»: честная сатира с Джулианной Мур о драме богатых людей и семейных травмах «Сирены»: честная сатира с Джулианной Мур о драме богатых людей и семейных травмах

О новом шоу с Джулианной Мур рассказывает кинокритик Тамара Ходова

Forbes
Оказалось, что большинство кошек предпочитают засыпать на левом боку — и ученые узнали, почему Оказалось, что большинство кошек предпочитают засыпать на левом боку — и ученые узнали, почему

Почему кошки перед сном чаще всего заваливаются на левый бок?

ТехИнсайдер
Страховка с биткойном Страховка с биткойном

Как работают инвестиционные полисы с привязкой к биткойну

Ведомости
Японский десант на Великих озерах Японский десант на Великих озерах

Большое поглощение в мировой металлургии все-таки состоится

Монокль
Оригами-робота научили прижимать ноги и ходить по-крабьи Оригами-робота научили прижимать ноги и ходить по-крабьи

Инженер из Германии разработал четвероногого оригами-робота Fold Walker

N+1
История в фасадах История в фасадах

Число объектов культурного наследия в столице растет

Ведомости
Зазеркалье времени: лучшие экранизации «Алисы в Стране чудес» — от немого кино до голливудского фэнтези Зазеркалье времени: лучшие экранизации «Алисы в Стране чудес» — от немого кино до голливудского фэнтези

Самые значимые экранизации «Алисы»: как каждая из них отражает свое время

Правила жизни
Открыть в приложении